基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析（PCA）和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明：基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

颗粒粒径分布测量反演算法的改进

综合奇异值截断法、奇异值修正法、Tikhonov正则化思想及Chahine迭代算法,提出一种改进的病态问题求解算法来测量颗粒系的粒径分布。结合Backus-Gilbert折中准则与奇异值最小原则确定了奇异截断值,采用L曲线法确定了最优正则化参数,并利用联合迭代反演法(SIRT)实现解的非负约束。模拟及实验结果表明,该算法对单、双峰分布的测量误差均小于3%,其抗噪性能、测量准确性、时效性及粒径测量范围相较其他反演算法都有明显优势。     

消光起伏光谱的时间相关处理

消光起伏光谱法(TFS)是一种新的颗粒测量方法,可同时测量两相流中颗粒的粒径分布和体积浓度。由于在测量原理和结构上非常简单,这种方法可用来实现在线、实时测量。然而在实际测量中,消光起伏光谱法对颗粒粒径分布的分辨率还比较低且对高浓度颗粒系的测量须考虑颗粒相互作用效应。本文提出一种新的数据处理方法-消光起伏相关光谱法(TFCS),通过对消光起伏信号在不同相关时间参数下进行相关计算来得到消光起伏光谱以提高消光起伏法对颗粒粒径分布的分辨率。     

非球形颗粒系粒径分布的机器学习反演算法

动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用,但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法,限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法,设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法,可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型,通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明,与传统的正则化Tikhonov算法相比,所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明,仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。     

非独立模式算法下粒径分布反演及分类的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,提出一种非独立模式算法下粒径分布反演及分类的方法。对被测颗粒系分别按照不同的粒径分布函数同时进行反演,并依据反演误差大小判断被测颗粒系符合哪种分布函数。仿真实验结果表明,在非独立模式下,完全可以利用已知的不同分布函数的反演误差作为分类依据,从而更准确地确定被测颗粒系的粒径分布。采用的遗传反演算法能够在3个可见光波长下得到较准确的粒径分布,反演结果稳定可靠,最大限度地减少了多个波长的使用,从而对光源有更大的选择余地。对透射消光测量结果加入5%随机噪声时,单峰分布颗粒系的反演误差小于5%,多峰分布颗粒系的反演误差小于10%。整个算法运行时间小于2 s。该方法具有原理简单,计算速度快等优点,能够满足颗粒粒径在线测量的要求。     

动态细水雾的最佳热辐射消光粒径

研究了细水雾遮蔽衰减热辐射过程中,取得最佳遮蔽效果的动态雾滴初始粒径问题。综合考虑雾滴的光学特性和动力学特性,定义了热遮蔽指数作为度量动态雾滴消光能力的指标。在模型构建中,用索特粒径将多分散性的细水雾等效成单分散系;用Planck平均法获取水雾的灰体辐射特性参数;并采用数组调用、线性插值的方法提高大量计算Mie氏消光因子的效率。研究发现,基于遮蔽指数的最佳消光粒径要远大于基于光学特性的最佳消光粒径。     

动态细水雾的最佳热辐射消光粒径

研究了细水雾遮蔽衰减热辐射过程中,取得最佳遮蔽效果的动态雾滴初始粒径问题。综合考虑雾滴的光学特性和动力学特性,定义了热遮蔽指数作为度量动态雾滴消光能力的指标。在模型构建中,用索特粒径将多分散性的细水雾等效成单分散系;用Planck平均法获取水雾的灰体辐射特性参数;并采用数组调用、线性插值的方法提高大量计算Mie氏消光因子的效率。研究发现,基于遮蔽指数的最佳消光粒径要远大于基于光学特性的最佳消光粒径。     

水滴粒径散射测量中的快速反演方法研究

针对汽轮机低压缸中水滴的平均尺度的实时测量问题,提出了一种用于从水滴散射光强分布中快速反演水滴粒径参数的半经验理论方法.根据米氏(Mie)散射理论,数值计算了不同水滴尺度对应的散射相函数曲线,并在前向小角度范围内,通过高斯函数拟合得到Mie散射理论的近似解析解,进而拟合得到水滴粒径随高斯函数参数变化的半经验理论公式.在...     

基于二阶滤波器的消光起伏谱颗粒测量结果

消光起伏频谱法是一种新的测量两相流系统中颗粒粒径分布和浓度的方法,装置简单,操作方便,适合实时、在线测量。采用二阶低通滤波器对起伏的透射率信号分析,得到消光起伏频谱实验数据,并利用改进的Chahine循环方法计算得到颗粒的粒径分布和浓度信息。重点讨论高浓度情况,包括对特征函数频率响应的修正和对其阶高修正两个方面,得到修正参量并运用到反演算法中从而得到正确的测量结果。测量结果表明,通过高浓度修正,消光起伏频谱法可以在很大的颗粒浓度动态范围得到合理的测量结果,其可测颗粒最大体积分数视颗粒的大小而定。     

激光散射法对尿液中纳米微晶粒径及其分布的研究

泌尿系结石已经成为威胁人类健康的一种常见病、多发病,目前对其形成的机制尚不清楚。文章采用激光散射法测定了正常人尿液和尿石症患者尿液中纳米粒子的粒径和粒径分布,该方法快速准确、经济、容易操作。正常人尿液比尿石症患者尿液的稳定性好,归因于正常人尿液中纳米微晶尺寸分布均匀,不容易聚集,而尿石症患者尿液的纳米微晶尺寸分布不均匀,粒子间容易聚集而沉降。通过分析尿样稀释、离心或者用微孔滤膜过滤后体系的光强-自相关函数曲线,得到了制备稳定的尿样悬浮液的方法：尿样先稀释20%,然后离心或用1.2 μm微孔滤膜过滤,可得到稳定的尿液悬浮液。激光散射法结果与TEM检测结果一致。从尿液中存在的范德华力、尿液粘度、酸碱性、离子强度、尿液中纳米微晶的表面电荷和Zeta电位等方面解释了尿液稳定的原因。     

Inversion of visible optical extinction data for spheroid particle size distribution based on PCA

The problem of light scattering properties of spheroid particles is studied, and a general approach is presented for calculating the single particle light scattering of spheroids. In this approach, the extinction efficiency of spheroid particles can be calculated by combining the spline interpolation of T matrix method and ADA (anomalous diffraction approximation) theory. Furthermore, the retrieval of spheroid particle size distribution is performed in the dependent mode and a selection method about the optical extinction data is proposed based on PCA (principle component analysis) of first derivative corresponding to the raw optical extinction. By calculating the contribution rate of first derivative corresponding to the raw optical extinction, the optical extinction with more significant features can be selected as the inversion optical extinction data. In this way, the selected optical extinction has less information redundancy and higher capacity of resisting noise disturbance. Simulation experiments indicate that the spheroid particle size distributions obtained with the proposed method coincide fairly well with the given distributions, which provides a simple, reliable and efficient method to retrieve the spheroid particle size distribution using the optical extinction data.     

基于光阻法的小光束截面粒径信息提取方法

为了实现同时兼顾大、小颗粒测量的液体颗粒计数,在分析细小光束照射下球形颗粒脉冲信号波形特征的基础上,提出了一种颗粒粒径信息提取方法,该方法通过对脉冲信号积分将颗粒脉冲信号的幅度与持续时间结合,可更加准确地提取颗粒的等效粒径信息.对理想脉冲信号进行数值模拟,并采用乳胶微粒标准物质进行实验测试,结果表明,该方法能够有效地提取大颗粒和小颗粒的粒径信息,从而拓宽了仪器检测范围.同时,分析了流速和噪声对该方法提取粒径准确性的影响,结果表明当流速波动小于10%时,测量误差小于5.41%;当噪声小于1%时,测量误差小于0.50%.     

基于自适应粒子群算法的多峰谱线分离方法研究

电感耦合等离子体原子发射光谱分析法(IC P-A ES)已成为一种常规的元素分析方法,但在IC P-A ES分析过程中,大多元素的分析谱线会受到背景或其他谱线的重叠干扰,形成的光谱干扰严重影响了谱线分析的准确性,所以在元素的分析过程中,需要通过适当的光谱干扰校正方法才能得到合适的元素分析线.根据光谱强度具有叠加性的特征...     

Analysis of Particle Size Distribution by Particle Tracking

Particle tracking is performed using a combination of dark field or fluorescence video microscopy with automatic image analysis. The optical detection together with the image analysis software allows for the time resolved localization of individual particles with diameters between 100 and 1000 nm. Observation of their Brownian motion over a set of time intervals leads to the determination of their mean square displacements under the given room temperature and viscosity. Hereby, the radii of a set of particles visible within a given optical frame are derived simultaneously. Rapid data analysis leads to reliable particle size histograms. The applicability of this method is demonstrated on polystyrene latices and PMMA nanospheres with radii between 51 nm and 202 nm.     

Experimental Study on Particle Size Distribution and Concentration Using Transmission Fluctuation Spectrometry with the Autocorrelation Technique

Based on the statistical characteristics of the transmission fluctuations in the particle suspension, transmission fluctuation spectrometry with autocorrelation (TFS‐AC) is described theoretically, with the assumptions of geometric ray propagation and completely absorbent particles in the suspension. The experiments presented here are realized in a focused Gaussian beam with the TFS‐AC technique. The acquisition of transmission fluctuation signals is achieved by using a high‐resolution digital oscilloscope. The transition function of TFS‐AC is obtained by varying the autocorrelation time. With a modified iterative Chahine inversion algorithm, solving a linear equation retrieves information on the particle size distribution and particle concentration. Some experimental results on spherical and non‐spherical particles are presented and discussed. The experiments cover a particle size range from 1μm to 1000 μm and a particle concentration of up to 12 %.     

New Receiving Mode of Extinction for Determining Particle Size and Density without Convex Lens

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｉｆａｌｉｇｈｔｂｅａｍ ｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｍｅｄｉｕｍ ,ｉｔｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｗｉｌｌｂｅｗｅａｋｅｎｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓ[1] .Ｔｈｉｓｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ.Ｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓａｒｅｄｉｆｆｕｓｅｄｉｎｓｐａｃｅａｌ…     

New Receiving Mode of Extinction for Determining Particle Size and Density without Convex Lens

In this article a new receiving mode for scattering light by particle is theoretically discussed. Using this receiving mode the convex lens can be omitted during determining the extinction of particle. Therefore the extinction coefficient of sphere particles is redefined by extrapolating the conventional one. In terms of the calculation results of light scattering the definition of near-field extinction coefficient of a swarm particle is depicted. Through the error analysis it is proved that the error coming from the new definition of extinction coefficient is acceptable for engineering application. In addition, a technique for determining the particle size and density is presented in this article and the advantage using this receiving mode is described.